【C++】深度探索C++对象模型之Function语意学

一、Member的各种调用方式

1. Nonstatic Member Functions

首先给出nonstatic member function 和 nonmember function

float magnitude3d( const Point *_this ) { ... } // nonmember function
float Point3d::magnitude3d() const { ... } // nonstatic member function

对于C++中class中的非静态成员函数，都会转化成对等的 “ nonmember 函数实例 ”， 也就是

float magnitude3d( const Point3d* _this ) {
return sqrt( _this->x * _this->x +
_this->y * _this->y +
_this->z * _this->z );
}

上式就是通过对 nonstatic member function

float Point3d::magnitude3d() const { ... } // nonstatic member function

改写成nonmember function的过程。转化步骤如下：

改写函数的原型以安插一个额外的参数到member function中，此例为_this指针。以及const nonstatic member
对每个“nonstatic data member的存取操作” 改成this指针来存取，也就是 _this->x 等
将member function重新写成一个外部函数。 也就是对上式改写成类似

extern magnitude__7Point3dFv( register Point3d *const this );

调用操作抑由 obj.magnitude() 改写成 magnitude__7Point3dFv( &obj );
而 ptr->magnitude() 改写成 magnitude__7Point3dFv(ptr) ;
上述经过named return value函数的内部转化还没被改写成

void normalize_7Point3dFv( register const point3d *const this, Point3d &__result )
{
register float mag = this->magnitude();
_result.Point3d::Point3d( this->x_mag, this->y_mag, this->z_mag );
return;
}

名称的特殊处理
对于member的名称，一般前面会加上class名称，以形成独一无二的命名。 也就是mangling 手法来提供独一无二的名称。
Name mangling 就是通过内部的编码对函数名称申明唯一的实例。
如果名称不一致，会导致编译器在链接时期因无法决议而失败，也就是确保类型安全的链接行为。

2. virtual Member funtions

如果normalize()是一个virtual member function，那么以下调用

ptr->normalize();

会被转换为：

(* ptr->vptr[1])( ptr );

vptr即指向virtual table的指针
1是virtual table slot的索引值，也就是指向virtual table上的哪个函数的下标，这里是关联到normalize
第二个ptr表示this 指针。

3. static member function

如果 Point3d::normalize()是一个static member function， 那么以下调用:

obj.normalize();
ptr->normalize();

一般都会转化为以下nonmember函数的调用，也就是

// obj.normalize();
normalize_7Point3dSFv();
// ptr->normalize();
normalize_7Point3dSfv();

在引入static member function之前，C++要求所有的成员函数必须由class的object来调用
而实际上，只有当一个或者多个nonstatic data member在member function中被直接存取时，才需要class object。这个this指针绑定着object对应的member之上。
因此，如果class的设计者，把static data member声明为nonpublic，那么就必须提供一个或多个member function来存取该member。因此可以不靠class object来存取一个static member，但其存取函数却得绑定于一个class object之上。

如果希望支持“没有 class object 存在”，那么程序的解决之道是把0强制转化为一个class指针，因而提供一个this指针实例。

object_count( (Point3d*) 0);

static member function 的主要特性是没有this 指针，其余特性如下：

它不能直接存取其class中的nonstatic members
它不能被申明为const ， volatile 或者 virtual
它不需要经由class object才被调用。

【如果取一个static member function的地址，获得的讲师其在内存中的位置，也就是其地址。】
【由于static member function没有this指针，所以其地址类型并不是一个“指向class member function的指针”，而是一个“nonmember 函数指针”。】
也就是说调用

&Point3d::object_count();

获取的是

unsigned int(*) ();

而不是

unsigned int( Point3d::* ) ();

因此static member function的好处是成为一个callback函数，也可以应用于线程threads之上。

二、virtual member function

在C++中，多态（polymorphism）表示：以一个public base class的指针（或reference），寻址出一个derived
class object。
比如：

Point *ptr;
ptr = new Point2d;   //寻址出一个Point2d的对象
ptr = new Point3d;   //寻址出一个Point3d的对象

欲鉴定哪些classes展现多态特性，我们需要额外的执行期信息，因此识别一个class是否支持多态的唯一适当方法，是看看是否含有virtual function。

virtual function的一般实现模型：每一个class有一个virtual table，内含class之中有作用的virtual function的地址。然后每个object都有一个vptr，指向virtual table的所在。

为了支持virtual function的机制，必须首先对于多态对象有某种形式的“执行期类型判断法（runtime type resolution）”。

假如有例子如下：

Point *ptr1, *ptr2;
ptr1 = new Point2D;
ptr2 = new Point3D;
ptr1->z();

其中z()是一个virtual function， 为了在执行期调用正确的z(), 需要知道

ptr所指对象的真实类型
z()实例的位置

所以在实现上，我们需要为每一个多态的class object增加两个members

一个字符串或数字，表示class的类型
一个指针，指向某表格，表格中有程序的virtual function的执行期的地址。

注意，上述所说的地址在程序执行之后，表格的大小和内容都不会改变。

如何寻址？

为了找到表格，每一个class object被安插了一个由编译器内部产生的指针，指向该表格
为了找到函数地址，每一个virtual function被指派一个表格索引值。

每一个class只会有一个virtual table， virtual table的存储内容？

每一个table内含其对应的class object中所有active virtual function函数实例的地址， 包括：

class所定义的函数实例，overriding可能存在的base class virtual function的函数实例
继承自base class的函数实例。即derived class决定不改写virtual function时才出现的情况
pure_virtual_called()函数实例，扮演pure virtual function的空间保卫者角色，也可以当做执行期异常处理函数。

每一个virtual function都被指派一个固定的索引值也就是slot，这是为了索引在上述所说的active virtual function在virtual table中的编号或者地址。

在单一继承中，一般每个上述的active virtual function的实例在virtual table中的布局的slot是一致的。所以对于调用

ptr->z();

以上信息足够使得编译器将调用转化为：

(*ptr->vptr[ 4 ])(ptr);

唯一在执行期才能够知道的东西是：slot 4到底是指向哪个z()的实例。

1. 多重继承下的virtual function

假设我们有以下的继承关系：

class Derived : public Base1, public Base2;

其中三个类中分别有虚析构函数，成员函数mumble(), 以及对应对象的clone()函数。如Base2

virtual ~Base2();
virtual void mumble();
virtual Base2 *clone() const;

当执行下述语句时：

Base2 *pbase2 = new Derived;

此时新的Derived对象的地址必须调整以指向其Base2 subobject。编译器会产生以下代码：

Derived *temp = new Derived;
Base2 *pbase2 = temp ? temp + sizeof(Base1) : 0;

而当程序删除pbase2所指的对象时，如

delete pbase2;

此时指针将会再次被调整，以指向Derived对象的起始处。上述的offset的加法在编译时期不能直接设定，因此pbase2所指的真正对象只有在执行期才会确定。

在多重继承下，一个derived class内含n-1个额外的virtual table，n表示其上一层base classes的个数。派生类的虚函数表是与基类共享的，所以有几个基类，就会有几个虚函数表，其中第一个虚函数表是派生类最最左的基类共享的。

问题：符号名称的链接很慢，如何解决？
--> 为了调节链接器的效率，就把多个virtual table连锁成一个。指向次要表格的指针由主要表格的指针加上一个offset-->因此最终每个class只有一个具名的vtable。

2. 虚拟继承下的virtual Functions

假如：

class Point3d : public virtual Point2d

则面对于Point3d的virtual function的布局而言。
Virtual Table Point3d的第一个值是一个offset to virtual base，指向Point2d subobject。 而在Point2d subobject中则有另一个vptr指向Virtual table Point2d subobject of Point3d。



参考：
深度探索C++对象模型，侯捷， 第四章 Function语意学